电氧化耦合陶瓷膜深度处理污水厂二级出水中抗生素研究

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随着人类社会的进步和经济的发展,大量的抗生素类物质随着城市污水或工业废水系统排入水环境中。尽管水环境中抗生素含量较低,但其潜在的生态风险也引起了全球关注。然而,污水厂的初级和二级常规生化处理对抗生素的去除效能有限。本研究提出了一种电氧化耦合陶瓷膜工艺(简称EO-CM耦合工艺)作为二级出水的深度处理工艺,旨在有效地去除抗生素类微污染物,同时工艺出水可作为回用水。首先,优选适配于EO-CM耦合工艺的阳极材料。结果表明,使用硼掺金刚石(BDD)阳极的EO-CM耦合工艺对实际污水厂二级出水中CODCr(20-30mg/L)的平均去除率达到了64.06%,而钌铱(Ti/Ru O2-Ir O2)电极对CODCr的平均去除率仅为46.98%,这主要归因于羟基自由基(·OH)在BDD电极表面高效生成,可用于氧化有机物。同时,使用BDD和Ti/Ru O2-Ir O2电极的EO-CM耦合工艺对总磷平均去除率分别为37.71%和30.13%,这是有机磷断链为磷酸小分子与Fe3+等金属离子形成的沉淀所致。然而,EO-CM耦合工艺脱氮的效果有限,其去除率均在5%以下。进一步研究了BDD电极EO-CM耦合工艺去除抗生素效能。结果表明,随着电氧化时间的增长(0-60min)和电流密度的增大(5-30m A/cm2),磺胺二甲基嘧啶(SMZ)的降解效果显著,拟一级反应速率常数从0.01861 min-1增到0.15703 min-1,然而初始污染物浓度(100-800μg/L)的增加会降低SMZ的降解速率,其反应速率常数降低至0.03725 min-1。此外,电氧化过程产生的H2O2(29.87-35.66μmol/L)和通过电子顺磁共振(EPR)证明存在的·OH,进一步阐明了EO-CM耦合工艺对抗生素的深度处理作用。同时,EO-CM工艺对CODCr(50-500mg/L)的平均去除率可达62.07%且经过15k Da的陶瓷膜过滤后平均去除率提升了39.59%。此外,EO预处理可以缓解CM的膜污染,随着电流密度增加,比通量曲线的终值可从0.81上升到0.92,然而,由于模拟二级出水中氯离子含量有限(14.7mg/L),因此氨氮去除效能依然有限。最后,基于阳极氧化能够使水中氯离子产生活性氯,从而增强氨氮的去除效能,参考GB/T 31962-2015《污水排入城镇下水道水质标准》中水质排放标准,拓宽二级出水中氯离子的含量(300-600mg/L),以提升使用BDD电极在EO-CM耦合工艺中深度处理污水的适用性。结果表明:当初始氯离子含量为300-600mg/L时,EO处理能将氨氮(30-32mg/L)的去除效能从初始5.41%提升到98.96%,对应的CODCr(56-58mg/L)去除率从18.96%提升到91.37%。可见,适量Cl-存在的情况下,电氧化阳极表面产生的Cl2/OCl-和·OH分别有助于氨氮和CODCr等污染物的去除。可见,EO-CM工艺对含适量氯离子的二级出水能协同处理氨氮、有机物和抗生素。
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